KR20050105629A - 기가비트급 전송시스템용 다중모드 광섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수정화학기상증착(MCVD) 공법에 따라 다중모드 광섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 석영튜브 내부로 SiCl₄와 GeCl₄를 포함하는 원료가스를 산소와 함께 투입함과 아울러 석영튜브의 외부에 열을 가하여 튜브 내벽으로부터 중심방향으로 증착층을 반복형성하는 클래드/코어의 증착공정을 포함하는 다중모드 광섬유 제조방법에 있어서, 상기 증착공정의 진행에 따른 튜브의 내경변화에 대응하여 상기 SiCl₄의 유량을 선형적 혹은 비선형적으로 점차 감소시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 기가비트급 이더넷용으로 사용하기 적합하도록 DMD 특성이 향상되는 다중모드 광섬유를 제조할 수 있다.

Description

기가비트급 전송시스템용 다중모드 광섬유의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING MULTIMODE OPTICAL FIBER FOR GIGABIT CLASS TRANSMISSION SYSTEM}

본 발명은 다중모드 광섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수정화학기상증착(Modified Chemical Vaper Deposition; MCVD) 공법을 이용해 다중모드 광섬유를 제조함에 있어 코어 중심부분의 증착두께, 굴절률 등을 정밀하게 제어함으로써 개별모드지연(Differential mode delay; DMD) 특성을 향상시킬 수 있는 기가비트급 전송시스템용 다중모드 광섬유의 제조방법에 관한 것이다.

최근 인터넷 사용자의 부단한 증가와 함께 안정적인 통신서비스를 위해 요구되는 전송용량이 증대되면서 종래 시스템에 비해 우수한 전송성능을 갖는 동시에 상대적으로 유지 비용이 낮은, 다중모드 광섬유를 전송선로로 하는 1기가비트 혹은 10기가비트급 근거리 전송시스템에 대한 관심이 점차 높아지고 있는 추세를 보이고 있다.

기가비트급 전송시스템의 구축을 위해서는 보다 많은 전송용량에 대한 고속통신을 지원하는 레이저 다이오드를 광원으로 사용할 수 있어야 하는데, 일반적으로 레이저 다이오드는 발광다이오드와 같은 여타의 광원에 비해 발광영역이 매우 좁으므로 다중모드 광섬유의 코어 중심부분에 불균일이나 결점 등이 존재할 경우 출력신호가 민감하게 변형되고, 특히 DMD 특성이 저하되어 전송품질에 심각한 악영향을 초래하게 된다.

다중모드 광섬유 프리폼의 제조를 위해 가장 널리 사용되고 있는 공법으로는 내부증착방식으로 클래드와 코어를 형성하는 MCVD 공법을 들 수 있는 바, 도 1에는 MCVD 공법의 주요 공정인 클래드/코어의 증착공정이 개략적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, MCVD 공법은 회전하는 모재 석영튜브(10) 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 등의 원료가스(11)를 산소와 함께 투입함과 아울러, 열영동(Thermophoresis)에 의해 튜브 내벽에 반응물이 증착되도록 석영튜브(10)의 길이방향을 따라 산소/수소 토치나 버너 등의 열원(13)을 반복적으로 왕복이송시키면서 석영튜브(10)를 가열하여 클래드와 코어의 증착층(12)을 형성하는 방식으로 증착공정이 진행된다. 여기서, 상기 원료가스(11)의 반응에 따라 생성되는 SiO₂ 입자는 클래드 및 코어의 직경을 결정하게 되며, GeO₂ 입자는 굴절률을 조절하고, P₂O₅ 는 반응 입자들의 소결온도를 낮추어 주는 역할을 하게 된다.

상기와 같은 증착공정 후에는, 석영튜브의 축방향으로 이송되는 열원(13)을 이용하여 증착온도 이상(예컨대, 2000 ~ 2300℃)으로 가열하여 석영튜브의 내경 및 외경을 축소시킴으로써 내부 틈을 메우는 붕괴(Collapse) 공정이 진행되고, 이어서 인선공정을 수행함으로써 최종적으로 다중모드 광섬유가 얻어진다.

상기 증착공정에 있어서, 석영튜브(10) 내에 투입되어 흐르는 원료가스는 가열되어 열원(13) 근처에 이르러 반응온도에 도달하고, 이때 열산화 반응으로 인하여 상대적으로 온도가 낮은 열원(13) 전방의 튜브 내벽에는 미세한 실리카 입자층이 생성되고, 이것이 소결되어 코어/클래드의 증착층(12)을 형성하게 된다. 열원(13)이 석영튜브(10) 전체를 한번 이송함에 따라 한층의 입자증착층(이하, '단위증착층')을 얻게 되는데, 이러한 과정을 수십번 반복하면서 각 층에 대하여 원하는 굴절률 분포를 갖도록 원료가스의 조성을 변화시키면 석영튜브(10) 내에 클래드 및 코어의 증착층(12)을 순차적으로 형성할 수 있다.

그러나, 상기와 같은 MCVD 공법은 증착공정의 진행에 따라 튜브의 내경이 점차 감소하게 되므로 SiCl₄의 투입 유량이 일정할 경우 코어 중심으로 갈수록 단위증착층의 두께가 점차 두꺼워지는 취약점이 있다. 이러한 현상에 의하면 코어 중심의 구조가 불균일해 질 뿐만 아니라 정밀한 굴절률 제어가 곤란하여 DMD가 증가하게 되고, 이에 따라 기가비트급 전송시스템에 적합한 다중모드 광섬유를 얻을 수 없는 문제가 발생한다.

일반적으로 다중모드 광섬유는 도 2에 도시된 바와 같이 반경(r) 방향에 대하여 언덕형 굴절률 분포를 가지므로 코어의 직경과 코어 중심에서의 굴절률 높이뿐만 아니라, 굴절률의 변화 기울기인 α값에 의해 대역폭 등의 전송특성이 변하게 된다. 특히, 레이저 다이오드를 사용하는 기가비트급 전송시스템에서는 도 2의 구간 Ⅰ에 상응하는 코어의 중심부분으로 레이저광이 입사되므로 코어 중심의 구조에 의해 전송특성이 매우 민감하게 영향을 받게 된다.

다중모드 광섬유에 있어서 코어의 굴절률 분포는 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.

상기 수학식 1에서 a는 코어의 반경값을 나타내고, δ는 코어와 클래드의 상대굴절률 차이로서 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

다중모드 광섬유에 있어서 대역폭이나 DMD와 같은 전송특성은 상기 수학식 1의 α값에 의해 결정되고, 이 α값은 석영튜브 내로 투입되는 GeCl₄의 유량에 따라 변화될 수 있다.

이상과 같은 점을 감안할 때 사용광원의 종류에 관계없이 기가비트급의 데이터를 고속전송하는 전송시스템의 구현을 위해서는, 다중모드 광섬유의 제조를 위한 증착공정중 투입되는 원료가스의 유량을 적절히 조절하여 코어 중심영역에 대한 불균일이나 이상 굴절률 분포 등을 제거할 수 있는 광섬유 제조공정의 연구가 무엇보다 중요하다 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 다중모드 광섬유의 제조를 위한 MCVD 공법의 증착공정 진행시 단위증착층의 두께가 점차 증가하는 것을 방지함과 아울러 그에 상응하여 정밀하게 굴절률을 조절함으로써 DMD 특성을 향상시킬 수 있는 기가비트급 전송시스템용 다중모드 광섬유의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다중모드 광섬유 제조방법은, 수정화학기상증착(MCVD) 공법에 따라, 석영튜브 내부로 SiCl₄와 GeCl₄를 포함하는 원료가스를 산소와 함께 투입함과 아울러 석영튜브의 외부에 열을 가하여 튜브 내벽으로부터 중심방향으로 증착층을 반복형성하는 클래드/코어의 증착공정을 포함하는 다중모드 광섬유 제조방법에 있어서, 상기 증착공정의 진행에 따른 튜브의 내경변화에 대응하여 상기 SiCl₄의 유량을 선형적 혹은 비선형적으로 점차 감소시키는 것을 특징으로 한다.

상기 SiCl₄의 유량은 증착층당 -2 ~ -4sccm씩 감소시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 증착공정의 진행에 있어, 코어 중심부분에 해당하는 0 < r/a < 0.6 의 구간에서 상기 SiCl₄의 유량변화에 대응하여 GeCl₄의 유량을 점차 감소시키는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 GeCl₄의 유량 감소분은 증착층당 300sccm 이하로 설정될 수 있다.

상기 증착층의 반복형성시 각각의 증착층에 대하여 2500sccm 내지 3500sccm의 산소가 유입될 수 있으며, 이때 각각의 증착층의 두께는 1.5㎟ 이하로 형성될 수 있다.

바람직하게, 증착공정시 코어의 증착층당 두께 감소량은 0.1 ~ 0.15㎟로 설정될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중모드 광섬유 제조방법의 증착공정을 도시하는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명은 예컨대 50 ~ 120rpm 정도의 속도로 회전하는 모재 석영튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 등의 원료가스를 산소와 함께 투입하고(단계 S100), 아울러 상기 석영튜브의 길이방향을 따라 산소/수소 토치나 버너에 해당하는 열원을 왕복이송시키면서 석영튜브의 외부를 가열하여 반복적으로 증착처리를 수행하는 과정을 거친다(단계 S110).

단계 S100에서 석영튜브 내에 투입되는 산소는 원료가스의 이동속도를 좌우하는 것으로서 단위증착층당 1000 ~ 4000sccm 정도, 보다 바람직하게는 2500 ~ 3500sccm 정도의 유량이 일정하게 혹은 전체 원료가스의 유량변화에 대응하여 점차 감소하도록 투입될 수 있다. 부가적으로, 상기 석영튜브의 내부에는 온도확산을 위한 헬륨(He) 가스가 산소와 더불어 투입될 수 있다. 이때, 상기 헬륨가스는 산소유량의 1/4 ~ 1/6 정도가 투입되는 것이 바람직하다.

상기 단계 S110의 증착처리에 따라 석영튜브의 내벽으로부터 중심방향으로 한 층씩 증착층을 형성함에 있어, 석영튜브 내부로 투입되는 원료가스중 SiCl₄의 유량은 각 단위증착층의 두께가 점차 얇아지도록 해당 공급수단(미도시)의 제어에 따라 점진적으로 감소된 양으로 투입된다(단계 S115). 여기서, 상기 SiCl₄의 유량 감소기울기는, 도 4의 그래프에 도시된 바와 같이 단위증착층당 -2 ~ -4sccm의 감소분을 갖는 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우 수학식 1을 통해 전술한 굴절률 변화기울기 α값은 1.9 ~ 2.4의 값을 가지게 되므로 1기가 또는 10기가비트 이더넷(Ethernet)용에 적합한 전송특성을 제공한다. 본 발명에 있어서 상기 SiCl₄의 유량 감소기울기는 도면에 도시된 바와 같은 선형패턴에 한정되지 않고 비선형적인 패턴을 갖도록 변형될 수도 있다.

상기와 같은 SiCl₄의 유량제어에 의하면 석영튜브의 내경변화에 대응하여 튜브의 중심으로 가면서 점차 각 단위증착층의 두께가 감소하게 된다(도 5의 그래프 참조). 여기서, 단위증착층의 두께 감소분은 상기 SiCl₄의 유량 감소기울기에 상응하여 층당 0.1 ~ 0.15 ㎟의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하며, 아울러 코어 중심에 대한 정밀한 굴절률 제어를 위해 단위증착층의 최대 두께는 1.5㎟ 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.

계속해서, 단계 S120에서 바람직하게 코어반경의 60% 이내에 해당하는 코어 중심부분, 즉 0 < r/a < 0.6 의 구간에 대하여 증착처리가 수행되는 시점으로 판단될 경우에는 코어 중심부분에 대한 굴절률 제어과정이 수행된다. DMD 특성에 대한 향상을 위해, 상기 굴절률 제어과정은 GeCl₄의 유량을 코어반경의 60% 부근의 지점으로부터 중심방향으로 가면서 점진적으로 감소시키는 방식으로 수행된다(단계 S125). 상기 GeCl₄의 유량 감소기울기는 상기 단계 S115에서 결정된 SiCl₄의 유량과 전술한 수학식 1을 기초로 산출될 수 있는 것으로서, 상기 SiCl₄의 유량 감소기울기에 대응하여 도 6에 도시된 바와 같은 패턴을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 점을 감안할 때 상기 GeCl₄의 유량은 바람직하게 단위증착층당 300sccm 이하의 감소분으로 점진적으로 감소될 수 있다.

그러면, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다.

회전하는 모재 석영튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 등의 원료가스를 산소 및 헬륨가스와 함께 투입함과 아울러 열원을 왕복시킴으로써 증착공정을 진행함에 있어, 산소의 유량은 단위증착층당 1500 ~ 3000sccm이 되도록 하고, 코어층의 유리화 온도를 낮추어 주는 POCl₃의 유량은 전체 원료가스의 0.75 ~ 0.95mol%, 그리고 석영튜브의 내부 온도분포를 일정하게 유지하기 위한 헬륨가스의 유량은 400 ~ 800sccm이 되도록 하였다.

또한, 코어를 이루는 각 단위증착층의 두께가 1.5mm² 이하의 값을 갖도록 SiCl₄의 유량을 조절하였는데, 이를 위해 석영튜브 내부에 투입되는 SiCl₄의 유량은 최대 700sccm 이하, 최소 100sccm 이상의 값을 갖도록 하였다.

코어의 증착시 상기 SiCl₄의 유량을 -4sccm씩 감소시킴으로써 전술한 수학식 1의 α값이 1.9 ~ 2.0이 되도록 하였으며, 이 경우 850nm 파장에서 3.0ns/km 이하의 DMD 값을 갖는 한편, 1300nm 파장에서 2.0ns/km 이하의 DMD 값을 갖는, 1기가비트 이더넷에 사용될 수 있는 다중모드 광섬유를 제조할 수 있었다.

또한, 상기 SiCl₄의 유량을 -2sccm씩 감소시켜 α값이 2.2 ~ 2.4가 되도록 제어할 경우에는 850nm에서의 DMD가 약 0.3ns/km 이하, 보다 구체적으로 코어 중심부분으로부터 5㎛ 내지 18㎛ 구간의 DMD가 0.25ns/km 이하가 되고 코어의 전 구간에 대해서는 0.33ns/km 이하가 됨으로써 10기가비트 이더넷용으로 적합한 다중모드 광섬유를 제조할 수 있었다.

본 발명은 상기와 같이 코어 중심부분의 굴절률을 정밀히 제어함으로써, 도 7에 도시된 바와 같이, 종래기술과는 달리 기가비트급 이더넷용에 적합한 DMD 특성을 갖는 다중모드 광섬유를 제조하는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명은 MCVD 공법의 증착공정 진행시 코어 중심방향으로 증착층의 두께가 점차 증가하는 문제를 해결함으로써 코어 중심부분을 균일한 구조로 형성할 수 있고, 이와 더불어 굴절률 제어가 용이한 장점이 있다.

이러한 본 발명에 의하면, 코어 중심부분의 굴절률 변화기울기를 정밀하게 제어함으로써 1기가비트나 10기가비트 이더넷에 사용하기 적합한 DMD 특성을 갖는 다중모드 광섬유를 제조할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 통상적인 MCVD 공법에 따라 수행되는 클래드/코어 증착공정의 단면도.

도 2는 통상적인 다중모드 광섬유의 굴절률 프로파일을 도시하는 그래프.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중모드 광섬유 제조방법의 증착공정을 도시하는 흐름도.

도 4는 도 3의 증착공정에 따른 증착두께 변화예를 도시하는 그래프.

도 5는 도 3의 증착공정에 따른 SiCl₄의 유량제어 예를 도시하는 그래프.

도 6은 도 3의 증착공정에 따른 GeCl₄의 유량제어 예를 도시하는 그래프.

도 7은 다중모드 광섬유의 DMD 특성에 대한 본원발명과 종래기술의 비교예를 도시하는 그래프.

Claims (7)

1. 수정화학기상증착(MCVD) 공법에 따라, 석영튜브 내부로 SiCl₄와 GeCl₄를 포함하는 원료가스를 산소와 함께 투입함과 아울러 석영튜브의 외부에 열을 가하여 튜브 내벽으로부터 중심방향으로 증착층을 반복형성하는 클래드/코어의 증착공정을 포함하는 다중모드 광섬유 제조방법에 있어서,

   상기 증착공정의 진행에 따른 튜브의 내경변화에 대응하여 상기 SiCl₄의 유량을 선형적 혹은 비선형적으로 점차 감소시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 SiCl₄의 유량을 증착층당 -2 ~ -4sccm씩 감소시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 증착공정을 진행함에 있어, 코어 중심부분에 해당하는 0 < r/a < 0.6 의 구간에서 상기 SiCl₄의 유량변화에 대응하여 GeCl₄의 유량을 점차 감소시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 GeCl₄의 유량 감소분이 증착층당 300sccm 이하인 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   증착층의 반복형성시 각각의 증착층에 대하여 2500sccm 내지 3500sccm의 산소를 유입시키는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,

   증착층의 반복형성시 각각의 증착층의 두께가 1.5㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.
7. 제 1항 또는 제 6항에 있어서,

   코어의 증착층당 두께 감소량이 0.1 ~ 0.15㎟인 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유 제조방법.